Aula 19 – Condução de Eletricidade nos Sólidoskelifisica.com.br/wp-content/uploads/2018/08/aula19_2018.pdf · comuns), o fotodiodo não conduz corrente elétrica (resistência

Aula 19 – Condução de Eletricidade nos Sólidos

Física 4Ref. Halliday – Volume4

Profa. Keli F. Seidel

SumárioSemicondutores;

Semicondutores Dopados;

O Diodo Retificador;


Níveis de Energia em um Sólido Cristalino… relembrando ...


Vamos analisar a rede cristalina do cobre (sólido)

Consideramos uma rede cristalina de N átomos, cada nível de energia do átomo isolado do cobre se desdobra em N níveis;

Esse desdobramento dos níveis de energia nas redes cristalinas é que formam as bandas de energia separadas por bandas proibidas (níveis de energia que nenhum elétron pode acessar/ocupar);

Uma banda de energia possui apenas alguns eV de largura;

Num sólido temos N~1024, assim os níveis no interior de uma banda são muito próximos e a banda pode ser considerada praticamente contínua;



Formação de bandas de energia

https://www.eecis.udel.edu/~portnoi/academic/academic-files/memorias.html



As bandas de menor energia são mais estreitas que as de maior energia. Isso ocorre devido porque essas bandas estão relacionadas aos elétrons próximos do núcleo atômico e suas funções de onda não sofrem grande superposição;

Relembrando ... Isolantes


De modo geral, dizemos que um material é isolante se aplicarmos uma diferença de potencial e este não produz uma corrente elétrica (ou seja, que a energia cinética dos elétrons não aumente);

Eg = gap de energia

Metais


A diferença do metal em relação ao isolante é que o nível de energia mais alto ocupado pelos elétrons está no meio de uma banda de energia permitida!!!

Semicondutores


Bandas de energia de um semicondutor

Comparação:Diamante Eg 5,5 eVSilício Eg 1,1 eV

Semicondutores


Bandas de energia de um semicondutor

Comparação:Diamante Eg 5,5 eVSilício Eg 1,1 eV

Semicondutores


Os portadores de carga do Silício existem apenas porque, em temperaturas maiores que zero absoluto, a agitação térmica faz com que alguns elétrons da banda de valência (muito poucos) adquiram energia suficiente para passar para a banda de condução, deixando o número igual de estados desocupados, chamados buracos ou lacunas, na banda de valência.

Semicondutores


Elétrons de condução e lacunas/buracos (falta de elétrons) da banda de valência são considerados portadores de carga;

Os buracos permitem o movimento dos elétrons;

Se aplicarmos um campo elétrico os elétrons movem-se na direção oposta ao campo elétrico, enquanto, os buracos movem-se na mesma direção;

Buracos “comportam-se” como (+e)

Como eles se movimentam???

Semicondutores


Caracterização elétrica do semicondutor

Resistividade, onde: n=número de portadores;

= tempo médio entre colisões dos portadores;

“n” é mais relevante que as outras grandezas (Si > cobre)

o aumento de temperatura faz com que aumente a colisão de portadores com os íons da rede cristalina. Em metais a resistividade aumenta com a temperatura porque as colisões

dos portadores de carga com os átomos da rede são mais frequentes a temperatura elevada/ na prática isso diminui a corrente elétrica.

Em semicondutores, o aumento de temperatura faz aumentar a concentração de portadores de carga (e- e buracos)/ na prática isso aumenta a corrente elétrica.

Semicondutores Dopados





Semicondutor dopado tipo n:

Átomo de Silício (14e-)

4e- da banda de valência / nível n=3

ATENÇÃO



Como é feita da dopagem do semicondutor???

Substitui um pequeno número de átomos na rede do semicondutor por “impurezas” (Ex. A cada ~107 átomos de Si é substituído por um dopante).

Que tipo de átomo???

Semicondutores Dopados tipo n


Neste caso:Átomo de fósforo (valência =5)

4e- do fósforo forma ligações covalentes com 4e- do Si;O 5º e- não forma nenhum ligação e fica fracamente ligado ao núcleo do fósforo;

Em um diagrama de níveis de energia, este elétron a mais ocupa um nível de energia (Ed) situado entre as bandas de valência e

condução, a uma pequena distância Ed da banda de condução



Ed << Eg, a energia necessária para transferir o elétron de Ed para a banda de condução é muito menor do que de EV para EC;

Átomo de fósforo (valência =5)



Átomo de fósforo (valência =5)

Semicondutores dopados com átomos doadores são chamados de semicondutores tipo n;

Nos semicondutores tipo n os elétrons são os portadores em maioria (portadores majoritários) e os buracos são os portadores em minoria (portadores minoritários);

Outros exemplos de átomos doadores: arsênio, bismuto.

Semicondutores Dopados tipo p


Neste caso: Átomo de Alumínio (Valência =3)

3e- do alumínio forma ligações covalentes com 3e- do Si;Existe uma lacuna (um buraco) em uma das ligações Si/Al;

Em um diagrama de níveis de energia, este buraco ocupa um nível de energia situado entre as bandas de valência e

condução, a uma pequena distância Ea da banda de valência

Semicondutores Dopados tipo pÁtomo de Alumínio (Valência =3) Ea << Eg, É necessária apenas uma

pequena energia para que um elétron seja deslocado de uma ligação Si-Si vizinha para completar a lacuna, deixando um buraco na ligação covalente original (buraco se move na rede);

Semicondutores Dopados tipo p


kT = 25.7 meV para temperatura ambiente

Entendendo agora a teoria de bandas de energia de um sólido

...você consegue compreender porque a resistividade de um semicondutor diminui quando há um aumento da temperatura?

E porque a resistividade de um metal aumenta com a temperatura?

Entendendo agora a teoria de bandas de energia de um sólido

...Quais foram as vantagens tecnológicas trazidas ao nosso dia-a-dia devido às descobertas das propriedades microscópicas

de um semicondutor?

…..

Aplicações:

Junção p-n

A Junção p-n


A junção p-n é um cristal semicondutor que foi dopado em uma região com uma impureza doadora e na outra região vizinha com uma impureza aceitadora;

Esse tipo de junção está presente em muito tipos de dispositivos semicondutores;

Suponha que a junção é formada por dois blocos semicondutores: um tipo n e outro tipo p, e formam um plano de junção; (para formar a junção não basta apenas encostar dois semicondutores (tipo p e tipo n). Tem que ser feito o crescimento dos filmes, um sobre o outro)

A Junção p-n


O que acontece com os portadores de carga próximos ao plano de junção???

Ocorre o Movimento dos Portadores em Maioria (Majoritários)

Gradiente de Difusão os elétrons do “lado n” tendem a se difundir para o outro lado

(passam para o “lado p”);Os buracos do “lado p” tendem a difundir para o “lado n”;

A Junção p-n


O movimento combinado de elétrons e buracos constitui uma corrente de difusão (Idif), cujo sentido convencional é dado pelo movimento dos portadores de carga positivos (neste caso, da esquerda para direita, de acordo com esta figura).

Quando um elétron do “lado n” chega ao “lado p” da junção, logo se combina com uma impureza aceitadora perto do plano de junção;

A Junção p-n


Essa difusão de elétrons do lado n para o lado p da junção (e vice-versa) resulta na formação de carga espacial dos dois lados do plano de junção;

Assim, o movimento dos portadores formam duas regiões de carga espacial, uma positiva e outra negativa;

As duas regiões juntas formam uma zona de depleção de largura d0;

A Junção p-n


Como consequência da formação de carga espacial, aparece uma diferença de potencial de contato (V0) entre as extremidades da zona de depleção;

A Junção p-n


Porque as cargas difundem e formam uma região de largura “d0”????

Movimento de Portadores Minoritários

V0 funciona como uma barreira para os portadores majoritários, mas facilita o movimento dos portadores minoritários; Cargas positivas procuram regiões de baixo potencial;Cargas negativas procuram regiões de alto potencial;

O resultado deste movimento de elétrons e buracos minoritários

constitui uma corrente de deriva (Ider)

A Junção p-n


Junção p-n em equilíbrio – Como existe V0, a corrente de difusão devido ao gradiente de concentração de elétrons e buracos é exatamente equilibrada por uma corrente de deriva no sentido oposto, atingindo o equilíbrio;

Portanto, é natural que as duas correntes se cancelem (em equilíbrio térmico);

O Diodo Retificador


Um exemplo de aplicação da junção p-n é o diodo retificador.

Quando colocamos um diodo num circuito, podemos aplicar uma diferença de potencial de duas diferentes formas em relação à junção p-n:

Polarização Direta – que como consequência uma corrente considerável atravessa a junção;

Polarização Inversa (ou reversa) – como consequência uma corrente quase nula atravessa o diodo;

Devido as propriedades do diodo, na eletrônica seu símbolo é:

O Diodo Retificador


Polarização Direta – consequência - uma corrente considerável atravessa a junção;

Vext = tensão externa;dD = largura da zona de depleção com polarização direta;

“lado p” se torna mais positivo e o “lado n” se torna mais negativo;

A barreira de potencial de contato (V0) diminui;

V0 é uma barreira para portadores majoritários, portanto:

Se V0 é menor, um número maior de portadores majoritários consegue atravessar a barreira;

Isso significa que Idif > Ider, a corrente resultante desse desequilíbrio é uma corrente elevada (Idif) que percorre o circuito;

O Diodo Retificador


Polarização Inversa – corrente é quase nula;

Vext = tensão externa;dI = largura da zona de depleção com polarização indireta;

A barreira de potencial de contato (V0) aumenta;

Se V0 é maior, um número (muito) menor de portadores majoritários consegue atravessar a barreira;

Isso significa que Idif < Ider, a corrente resultante desse desequilíbrio é uma corrente elevada (II) que percorre o circuito;

O Diodo Retificador


Gráfico para a Polarização Direta e Inversa

O Diodo Retificador


Aplicação:

Se aplicarmos uma tensão senoidal ao diodo retificador, essa é transformada em uma tensão retificada;

O Diodo Retificador


Outras aplicações:Diodo Emissor de Luz (LED – light emitting diode);

ou OLED – organic light emitting diode;Fotocélula, célula fotovoltaica;

O Diodo Retificador


Diodo Emissor de Luz (LED – light emitting diode);ou OLED – organic light emitting diodo;

O Diodo Retificador



Qual é a eficiência do LED comprado à lâmpadas incandescentes e fluorescentes??

http://www.ucsusa.org/publications/catalyst/fa12-how-it-works.html#.WSgMaze1veQ

A recombinação de elétrons e lacunas geram os fótons.

- E como se gera diferentes cores???

O Diodo Retificador



Porque o LED azul foi “merecedor” de um prêmio Nobel??

Akasaki, de 85 anos, Amano, de 54, e Nakamura, de 60, venceram o Nobel de Física em 2014.

O Diodo Retificador


Outras aplicações:Fotodiodo - Da mesma forma que a passagem de uma corrente em uma

junção p-n pode produzir luz (LED), a incidência de luz em uma junção p-n pode dar origem a uma a uma corrente elétrica;

Possui a propriedade de variar a sua resistência elétrica em função da intensidade da luz (número de fótons) nela incidente.

Usados em: controle remoto/TV, alarmes, trancas elétricas, portas elétricas, etc;

- Com a ausência de luz e reversamente polarizado (ligado ao contrário dos diodos comuns), o fotodiodo não conduz corrente elétrica (resistência elétrica"infinita").

- Por exemplo, se incidirmos luz na junção semicondutora do fotodiodo, a sua resistência elétrica diminui muito, havendo condução intensa de corrente elétrica

(até alguns miliampères)

O Diodo Retificador


Outras aplicações:Fotodiodo ( e células fotovoltaicas?);

inorgânica orgânica

Células fotovoltaicas

http://www.ucsusa.org/clean-energy/renewable-energy/how-solar-panels-work#.WSgL2De1veQ

Células fotovoltaicas

Possibilidade de “vender” o excesso à rede elétrica!

https://www.britannica.com/science/photoelectric-effect

Desvantagens e vantagens?

Documents

Aula 19 – Condução de Eletricidade nos Sólidoskelifisica.com.br/wp-content/uploads/2018/08/aula19_2018.pdf · comuns), o fotodiodo não conduz corrente elétrica (resistência